[논문 리뷰] Study on the Effect of Annealing on Ga$_2$O$_3$ Thin Films Deposited on Silicon by RF Sputtering

Ana Sofia Sousa, Duarte Magalhães Esteves외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 04.

Ga2O3 and related materials인용 수 0

한 줄 요약

이 연구는 열 어닐링(550–1000 °C)이 실리콘 위 RF 스퍼터링된 Ga2O3 박막의 광학적, 구조적 및 조성 특성에 어떻게 영향을 미치는지 ellipsometry, XRD, RBS, AFM을 사용하여 분석한다. 더 높은 어닐링 온도와 함께 굴절률의 현저한 증가와 결정성 향상이 동반되며, SiO2 계면 성장도 관찰된다.

ABSTRACT

Gallium oxide is an ultra-wide bandgap semiconductor with excellent opto-electronic properties, making it a highly promising material for a wide range of applications and devices. In this article, we report how the optical, morphological, structural, and compositional properties of $β$-Ga$_2$O$_3$ thin films deposited by RF sputtering on silicon substrates are affected by thermal treatments. Ellipsometric spectra recorded at multiple angles of incidence from several samples subjected to thermal annealing in the range of 550-1000 $^\circ$C were analyzed to extract the optical functions using appropriate multilayer models. This analysis is complemented by compositional, structural, and morphological characterization techniques. A significant increase of the refractive index was found after annealing at 1000 $^\circ$C, accompanied by a stark improvement in the samples' crystalline structure, as confirmed by complementary structural and compositional characterization techniques.

연구 동기 및 목표

• 어닐링 온도가 RF 스퍼터링된 Ga2O3 박막의 광학적, 구조적 및 조성 특성에 어떤 영향을 미치는지 이해한다.
• 열 처리로 유도된 구조적 및 조성 변화와 굴절률 변화 사이의 상관관계를 규명한다.
• 어닐링으로 인한 박막 밀도, 두께, 화학적 조성 및 계면 산화물 형성의 변화를 평가한다.

제안 방법

• 실온에서 Ga2O3를 RF 스퍼터링하여 Si 기판 위에 약 73 nm 두께의 박막을 형성.
• 샘플을 공기 중에서 550–1000 °C 범위에서 150 °C 간격으로 1시간씩 열처리.
• 스펙트로스코피 엘립시로메트리와 Tauc-Lorentz 모델링을 사용하여 n, k 및 층 두께를 추출.
• 보완 분석: AFM으로 표면 형태, RBS로 깊이 조성 및 층 두께, XRD로 결정 구조 및 결정립 크기/미소변형.
• Tiour–Lorentz 타입 분산을 갖는 3층 모델(Ga2O3/SiO2/Si)을 사용한 데이터 피팅; 엘립시로메트리 후 n(λ)에 Wemple–DiDomenico 분석을 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어닐링 온도가 실리콘 위 Ga2O3 박막의 굴절률 및 광학 분산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 어닐링에 따라 나타나는 구조적(결정 품질, 결정립 크기, 미소변형) 및 조성적(Ga/O/SiO2 계면층) 변화는 무엇인가?
• RQ3 어닐링이 박막 밀도와 계면 산화물 성장에 영향을 주는가, 그리고 이것들이 광학적 특성과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

샘플	Ga2O3 두께 (10^15 at/cm^2)	거칠기 (10^15 at/cm^2)	Ga (%)	O (%)	SiO2 두께 (10^15 at/cm^2)
as-grown	594	0	44	56	6
550 °C	585	0	39	61	15
700 °C	576	0	39	61	24
850 °C	571	0	40	60	62
1000 °C	537	40	40	60	202

• 632.8 nm에서의 굴절률은 어닐링에 따라 증가하여 1000 °C에서 n = 1.915에 도달하고, 비어닐링 시의 n = 1.851에서 상승.
• XRD는 더 높은 어닐링에서 β-Ga2O3 400 반사선의 나타남과 선명해짐을 보여주며, 결정성 향상과 더 큰 결정립 크기를 시사한다.
• RBS는 어닐링 온도에 따라 증가하는 SiO2 계면층(비해: as-grown to 1000 °C에서 6→15→24→62→202 (단위: 10^15 at/cm^2))을 보여주며, Ga/O 화학적 비가 ~44/56%에서 ~40/60%로 이동.
• 박막 밀도는 어닐링과 함께 상승하여 온도가 상승할수록 β-Ga2O3의 이론 밀도에 근접한다.
• AFM은 RMS 거칠기가 850 °C까지 대체로 변하지 않는 것을 보이다가 1000 °C에서 급격히 증가한다(0.5→0.6→0.7→0.9→5.4 nm), 결정립 성장과 상관관계가 있다.
• 엘립시로메트리로 확인되며 어닐링 시리즈 전반에 걸쳐 더 두꺼운 SiO2 계층과 더 큰 n이 나타나고, k는 UV 영역까지 무시 가능한 수준으로 남아 밴드갭 확대와 결함 밀도 감소와 일치한다.